독성물질의 생체 내 거동

흡수된 독성물질이 세포의 수용체에 도달하기 위해서는 혈액에 의해 이동되어야 한다. 독성이 발현되는 시간은 혈액 중 독성물질의 농도가 독성 발현 최소 농도에 얼마나 빨리 도달하느냐에 달려있다. 

특히 정맥과 호흡기 경로는 매우 비슷한 경향을 보이며 소화기로 노출시킬 때는 혈액 중 최고 농도에 도달하는 시간이 현저히 길어진다는 점을 주목할 필요가 있다.

수용성 물질과 지용성 물질의 확산 차이

독성물질들은 혈관의 분지인 모세혈관을 통해 순환계를 출입한다. 모세혈관 벽은 납작한 상피세포의 단일층으로 되어 있고, 세포와 세포 사이의 틈새는 약 0.03 ㎛ 정도이다.

분자량 60,000 이하의 수용성 물질은 이 구멍을 통한 여과작용에 의해 혈류로 들어가고 나온다. 분자의 반경이 커질수록 확산속도는 급격히 감소한다.

혈액과 간질액 사이에서 물과 용질의 흐름 방향은 수압과 삼투압이라는 두 가지 반대적인 힘에 의해 결정된다. 모세혈관 막 양쪽에 가해지는 이 두 가지 힘의 차이에 의해 용질이 모세혈관을 들어가거나 나오게 된다.

지용성 물질은 모세 혈관벽을 통해 쉽게 확산된다. 이들의 확산속도는 지방- 물 분배계수에 따라 달라진다.

혈류 내로 들어간 물질 모두가 변화되지 않은 형태 그대로 수용체에 도달하는 것은 아니다. 위 – 장관으로부터 흡수된 물질은 문맥을 통해 간으로 운반된다. 간은 매우 강력한 물질대사 체계를 갖추고 있다. 따라서 간에서 독성물질은 대사 된 형태 혹은 원래의 형태로 간정맥으로 분비되어 혈액으로 들어간다.

또 한편으로 일부 독성물질은 담즙으로 분비되기도 한다. 이때 독성물질의 전부 혹은 일부가 다시 위 – 장관에서 재흡수 되어 간으로 되돌아가기도 하는데 이 과정을 장 – 간의 순환이라 부른다.

혈장은 매우 제한된 대사능을 지니고 있지만 가수분해와 아민 전이 효소 등이 있어 독성물질을 변화시킬 수 있다. 또한 일부의 독성물질은 혈장단백질과 결합함으로써 일시적으로 불활성화 될 수도 있다.

독성물질의 세포막 통과

동맥 끝부분의 모세혈관을 빠져나온 독성물질은 세포에 도달한 후 특이 수용체와 결합하여 작용한다.

유동모자이크 모델에 따르면 세포막은 지질의 소수성 부분이 서로 마주 보고 있는 이중막 형태로 이루어져 있다.

지질의 친수성 부분은 간질액과 세포내 수용성 환경으로 향해 있다. 세포외막에 존재하는 단백질은 막을 관통하지 않고 표면에 부착되어 있기 때문에 쉽게 제거될 수 있으며, 세포막 내에 존재하는 단백질은 막을 가로질러 위치하기 때문에 물질의 수송에 관여하는 것으로 생각된다.

독성물질이 세포막을 통과하는 메커니즘에는 대략 다섯 가지가 있다.

단순 확산(simple diffusion), 여과(filteration), 촉진적 확산(facillitated diffusion), 능동적 수송 (active transport), 세포 흡수 (endocytosis)이며 단순확산, 여과, 촉진적 확산 등을 통틀어 수동적 수송(passive transport)라고 부르며 능동적 수송과 대비되는 개념으로 설명하고 있다.

또한 수동적 수송이 일어나는 원동력은 세포 내외의 독성물질의 농도 차이이며 이를 농도기울기라고도 부른다. 그러나 능동적 수송의 경우에는 세포내 에너지인 ATP가 원동력이 된다.

독성물질의 혈액 내 조직내 분포

모세혈관 부분의 경우 혈액과 간질액 사이에 독성물질 이동이 비교적 자유롭게 일어나기 때문에 이 부분에서의 독성물질 농도는 혈액 내의 농도와 비례 관계가 있다.

독성물질의 조직에 대한 분포 특성을 나타내는 대표적 지표로서 분포용적(VD; volume of distribution)을 들 수가 있다. VD는 독성물질이 혈액과 조직 사이에서 농도 평형이 이루어졌을 때 그 물질이 분포된 혈액량을 리터로 표시한 수치이다. 일반적으로 VD가 큰 물질은 조직으로 쉽게 흡수된다는 의미가, VD가 작은 물질은 조직으로 흡수가 어렵다는 의미가된다.

여기서 주의할 점은 VD는 혈액 중 농도와 노출 독성물질의 양을 기준으로 계산한 상대적 수치로서 생리학적인 의미는 없으며 실제 어떤 용적을 의미하는 것이 아니라는 점이다.

독성물질의 생체 내 축적

일반적으로 생체가 독성물질에 계속 노출될 경우 생체 내에서 제거되거나 생체 내 변환 속도가 흡수되는 속도보다 느린 경우에는 생체에 축적될 수밖에 없다.

또한 어떤 독성물질의 경우는 생체의 특정 조직에만 축적되기도 한다.

보통 고등 생물의 경우 어떤 조직이든지 독성물질을 어느 정도는 축적할 수 있는데, 이러한 관점에서 보면 고등동물은 독성물질로부터 심각한 손상을 어느 정도 예방할 수 있는 방어 시스템이 존재한다고 할 수 있다. 즉, 사람의 경우 폐, 간장, 신장 등은 뚜렷한 임상적 증상이 수반되지 않는 정도의 독성물질을 저장할 수 있다.

배설

독성물질의 배설은 독성을 결정하는 중요한 요소로서 체내에 오래 머무를수록 독성 발현의 가능성이 커진다. 즉, 빨리 배설될수록 독성 발현의 기회가 줄어든다는 의미가 된다.

신장을 통한 배설은 독성물질을 체외로 배설하는 가장 중요한 경로로서 일반적으로 사구체 여과, 세뇨관 재흡수, 세뇨관 분비 등 3단계를 거쳐 배설된다.

폐를 통한 배설은 액상의 휘발성 물질이나 기체 등이 배설하는 경로로서 주로 단순 확산에 의하여 배설이다. 이 방식은 혈액에 대한 물질의 용해도가 배설에 영향을 주는 중요한 인자가 된다. 즉, 혈액에 대한 용해도가 클수록 배설이 빠르다는 의미가 된다.

간을 통한 배설은 위 장관에서 흡수된 물질이 전신 순환을 거치기 전에 간에서 담즙으로 배설되어 최종적으로는 대변으로 배설되는 경우이다. 담즙은 간에서 생성되어 담도를 거쳐 담낭에 저장되며 주로 지용성 음식물의 소화에 관여하고 있다.

유즙을 통한 배설은 알코올과 같이 극성이 큰 물질에서부터 극성이 약한 카페인까지 주로 지용성 물질의 배설 경로이며, 구리와 아연이 땀샘을 통하여 배설되고 수은과 비소가 모발을 통해 주로 배설된다.